Giải pháp hữu ích đề cập tới phương pháp kết nối dữ liệu từ các thiết bị đo và điều khiển qua mạng truyền thông công nghiệp và mạng Internet lên máy chủ điện toán đám mây. Trong hệ thống mạng kết nối thiết bị đo và điều khiển với máy chủ, trung tâm giám sát và điều khiển SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu) được cài đặt trên máy chủ điện toán đám mây với mục tiêu sử dụng tối ưu các nguồn tài nguyên, cơ cấu vận hành cũng như việc lưu trữ, phân phối và xử lý các thông số hoạt động như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, báo cháy, báo khói, nồng độ bụi, các thiết bị đo, giám sát hình ảnh, các thiết bị chấp hành như động cơ, máy bơm v.v. thông qua mạng không dây, đồng thời cho phép người quản trị quản lý và người dùng truy cập dữ liệu một cách trực quan và nhanh chóng trong phạm vi của nhà máy.

Hình 1. Mô hình hệ thống thiết bị đo và điều khiển các thông số hoạt động

trong nhà máy trên nền điện toán đám mây

 

Phương pháp kết nối thiết bị đo và điều khiển với máy chủ điện toán đám mây qua mạng Internet bao gồm nhiều bước kết hợp với nhau để phát triển thành hệ thống tổng thể trên nền tảng điện toán đám mây, trong đó phương pháp này bao gồm các bước:

-         Bước 1: xác định các thông số đo và điều khiển bao gồm các dữ liệu thông số đo và điều khiển cần lưu trữ, tần suất, dạng tín hiệu cập nhật phù hợp với môi trường và phương pháp sản xuất của đơn vị sử dụng;

-         Bước 2: kết nối dữ liệu từ cảm biến và thiết bị chấp hành với thiết bị đo và điều khiển PLC;

-         Bước 3: kết nối dữ liệu từ thiết bị đo và điều khiển PLC (Programmable Logic Controller – Bộ điều khiển logic khả lập trình) với máy tính điều hành;

-         Bước 4: kết nối dữ liệu giữa máy tính điều hành với máy chủ điện toán đám mây;

 

trong đó:

·        Bước 1 được thực hiện như sau:

-         Lựa chọn các thông số đo và điều khiển bao gồm các thông số như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, mức nước, áp suất, lưu lượng, tốc độ quay của động cơ, độ dài khoảng cách và phạm vi làm việc, độ chính xác, độ nhạy theo từng thông số;

-         Lựa chọn cảm biến đo phù hợp với từng thông số đo và có tín hiệu ra theo một hoặc nhiều chuẩn công nghiệp gồm 0-10V, 0-5V, 0-20mA, 4-20mA, RS232/RS485/RS422;

-         Lựa chọn thiết bị chấp hành hoạt động theo yêu cầu công nghệ thực tế và có tín hiệu điều khiển theo một hoặc nhiều chuẩn công nghiệp 0-10V, 0-5V, 0-20mA, 4-20mA, RS232/RS485/RS422;

-         Lựa chọn thiết bị đo và điều khiển PLC có cấu hình cổng vào/ra phù hợp với cảm biến và thiết bị chấp hành;

·        Bước 2 được thực hiện như sau:

-         Các thông số đo và điều khiển từ cảm biến và thiết bị chấp hành được đưa qua bộ chuyển đổi tín hiệu dòng/áp sang dạng tín hiệu theo một hoặc nhiều chuẩn công nghiệp 0-10V, 0-5V, 0-20mA, 4-20mA, RS232/RS485/RS422;

-         Thiết bị đo và điều khiển PLC sẽ đọc/ghi dữ liệu từ cảm biến và thiết bị chấp hành qua cổng vào ra tương tự ADC/DAC và chuyển thành số liệu dạng số (digital number) trong bộ nhớ;

Hình 2. Kết nối dữ liệu đo từ cảm biến, thiết bị chấp hành với

thiết bị đo và điều khiển PLC

·        Bước 3 được thực hiện như sau:

-         Thiết bị đo và điều khiển PLC truyền dữ liệu với máy tính điều hành qua mạng truyền thông công nghiệp MPI (Multi Point Interface – Giao diện đa điểm);

-         Máy tính điều hành sẽ lưu trữ dữ liệu trong cơ sở dữ liệu, trong đó, cơ sở dữ liệu được xây dựng nhằm lưu trữ liên tục dữ liệu thu thập từ các cảm biến, thiết bị chấp hành vào hệ thống cơ sở dữ liệu ở máy tính điều hành, dữ liệu cập nhật liên tục theo định kỳ với tần suất cao (vài giây đến vài chục giây một lần) nên cần một hệ quản trị cơ sở dữ liệu mạnh để lưu trữ và xử lý với tốc độ cao;

·        Bước 4 được thực hiện như sau:

-         Máy tính điều hành kết nối với thiết bị đo và thiết bị điều khiển PLC có các chức năng thu thập dữ liệu từ các cảm biến, thiết bị chấp hành, sau đó gửi một yêu cầu http (http request) (có thể là một yêu cầu (request) dạng GET với các thông số đo được gắn vào đường dẫn của Http Request) tới máy chủ điện toán đám mây (cloud server) để cập nhật dữ liệu lên đám mây (cloud);

Hình 3. Mô hình cập nhật dữ liệu lên App Engine

-         App Engine tích hợp trên máy chủ điện toán đám mây xác định rằng một yêu cầu (request) gửi tới ứng dụng được tạo trên App Engine sử dụng tên miền của ứng dụng, khi tạo ứng dụng trên App Engine thì App Engine sẽ tạo cho mỗi ứng dụng một ID định danh;

-         Khi App Engine nhận được một web request cho ứng dụng được người sử dụng tạo, nó sẽ gọi một tập lệnh (script) xử lý yêu cầu (request) tương ứng với URL được mô tả trong tệp cấu hình ứng dụng app.yaml;

-         Máy chủ đám mây sẽ xác định tập lệnh xử lý nào được chạy để xử lý yêu cầu bằng cách so sánh URL của yêu cầu với mẫu URL trong tệp cấu hình của ứng dụng, máy chủ sẽ chạy đoạn tập lệnh tương ứng với dữ liệu yêu cầu (request data) và đưa dữ liệu yêu cầu vào môi trường biến và luồng dữ liệu vào chuẩn, đoạn tập lệnh sẽ thực hiện các hành động thích hợp với yêu cầu được gửi đến, chuẩn bị dữ liệu trả lời và đưa dữ liệu này vào luồng dữ liệu ra chuẩn.

Hình 4. Mô hình trình diễn dữ liệu đến người sử dụng

Hy vọng trong tương lai gần, giải pháp hữu ích đề cập tới phương pháp kết nối dữ liệu từ các thiết bị đo và điều khiển qua mạng truyền thông công nghiệp và mạng Internet lên máy chủ điện toán đám mây sẽ có nhiều ứng dụng thực tiễn trong thời đại cách mạng 4.0 đang bùng nổ như hiện nay.

 

Nhóm nghiên cứu Kỹ thuật điều khiển và Hệ thống nhúng thuộc Viện Công nghệ thông tin – Viện Hàn lâm KHCNVN đã và đang triển khai một số dự án ứng dụng giải pháp hữu ích này như:

Hình 5. Hệ thống giám sát chất lượng nước nuôi tôm phục vụ phát triển nông nghiệp công nghệ cao bền vững tại tỉnh Ninh Thuận dựa trên nền Internet of Things (IoT) và điện toán đám mây (Cloud Computing).

 

Hình 6. Hệ thống tự động hóa trang trại nuôi trồng hoa Lan Hồ điệp tại tỉnh Quảng Ninh trên nền tảng thiết bị điều khiển PLC, công nghệ đèn LED và máy chủ điện toán đám mây

Hình 7. Các thành viên nhóm nghiên cứu Kỹ thuật điều khiển và Hệ thống nhúng